Глаза космических китов: Часть 2. Современные методы спутникового мониторинга океанов

В предыдущей части этого материала мы рассказали историю возникновения спутниковой океанографии: как от первых исследований водных ресурсов с борта американской орбитальной станции Skylab в середине 1970-х годов человечество пришло к размещению компактных чувствительных спутниковых сенсоров, таких как американо-французский космический аппарат TOPEX/Poseidon. Последний стал отправной точкой для старта взаимодействия американского NASA с французским Национальным центром космических исследований (Centre National d’Études Spatiales, CNES) в развитии и запусках новой генерации океанографических спутников, начавших наиболее длительное океанографическое исследование, которое непрерывно продолжается уже более 30 лет.

Три итерации успеха: спутники серии Jason

После успешного ввода в эксплуатацию TOPEX/Poseidon в NASA и CNES начали обдумывать запуск новых океанографических спутников, похожих на наблюдателя, уже оперирующего на орбите. Основной целью дополнительного вывода подобных аппаратов на земную орбиту стало обеспечение непрерывности наблюдений за повышением уровня мирового океана. Так появилась концепция спутниковой серии Jason, которая в будущем вырастет до трех самостоятельных миссий.

Основной задачей Jason стало улучшение точности измерений высоты мирового океана. Этого действительно удалось достичь: когда 7 декабря 2001 года первый Jason добрался до орбиты на ракете-носителе Delta II, он сразу же стал самым чувствительным океанографическим спутником в мире — точность его измерения составила менее 2,5 см (по сравнению с 4,2 см, которые предоставлял TOPEX/Poseidon).

В арсенале Jason-1 было пять инструментов, с помощью которых он осуществлял свои океанографические исследования:

1. Jason Microwave Radiometer (JMR) — микроволновый радиометр корректировал уровень атмосферного водяного пара.
2. Poseidon-2 — усовершенствованный 2-частотный радар-высотомер (Ku и C-диапазон), обеспечивший более высокую точность, чем у Poseidon-1, установленного на TOPEX/Poseidon.
3. DORIS — допплеровская система для определения орбиты в реальном времени.
4. GPSP — приемник GPS для точного позиционирования.
5. Laser Retroreflector Array (LRA) — лазерный ретрорефлектор для наземной калибровки спутника.

Приблизительная стоимость Jason-1 составила $135 млн. Указанную сумму NASA и CNES разделили между собой неравномерно: американцы предоставили проекту более $90 млн, тогда как французы ограничились лишь $45 млн. К тому же Jason-1 стал одним из первых океанографических спутников, в проект которого были вовлечены Национальное управление океанических и атмосферных исследований США (NOAA) и Европейская организация по эксплуатации метеорологических спутников (EUMETSAT). 

Оба учреждения присоединились к миссии не как разработчики, а как основные потребители информации, собранной Jason-1, благодаря чему удалось существенно повысить точность метеорологических прогнозов, опирающихся на данные наблюдений. Участие в программе NOAA и EUMETSAT сразу перевело статус космической миссии Jason-1 из чисто исследовательского в оперативный, позволив пользователям со всего мира получать наиболее точную информацию о морской погоде. 

Стоит помнить, что спутник Jason-1 оказался на орбите, когда там в активном статусе все еще пребывал TOPEX/Poseidon. NASA и CNES сделали это специально, чтобы обеспечить непрерывность спутниковых наблюдений. Кроме того, дополнительная польза заключалась и в проведении совместной тандемной миссии двух океанографических спутников. Поэтому Jason-1 сразу вывели на ту же рабочую орбиту, где находился TOPEX/Poseidon. После орбитального сближения началась совместная тандемная миссия спутников, длившаяся в течение восьми месяцев. TOPEX/Poseidon главенствовал в этой орбитальной процессии, а Jason-1 следовал точно за ним на расстоянии приблизительно 70 секунд. Подобная конфигурация позволила обоим спутникам пролетать над одними и теми же участками океана с небольшой разницей во времени.

Прежде всего такое орбитальное рандеву в самом начале космической миссии было необходимо для калибровки и валидации Jason-1. Хотя спутник и был спроектирован по передовым технологиям своего времени, его инструменты надлежало настраивать в режиме реального орбитального полета. Именно поэтому его калибровка происходила на основании уже проверенных настроек TOPEX/Poseidon. Полет в тандеме позволил сравнивать измерения обоих спутников на одинаковых участках океана с точностью до нескольких миллиметров. Это давало возможность выявить и скорректировать любые различия в работе исследовательских инструментов на обоих аппаратах.

За время тандемной миссии были наконец получены уточненные сведения об океанических приливах, в частности об их рассеивании. Оказалось, что около трети приливной энергии на планете рассеивается не на мелководье, как считалось ранее, а в глубоких океанических водах. Совместная работа двух спутников также позволила построить новые компьютерные модели океана, сыгравшие ключевую роль в климатическом прогнозировании. После успешной калибровки в августе 2002 года Jason-1 прекратил преследовать своего напарника и вышел на собственную отдельную орбиту, а TOPEX/Poseidon продолжил работать до октября 2005 года.

В августе 2008 года на орбиту вывели второй спутник проекта Jason, который назвали Ocean Surface Topography Mission (OSTM). Как и первый номер, он тоже был продуктом коллаборации четырех ведущих участников, где NASA и CNES выступали в роли заказчиков, а NOAA и EUMETSAT были основными пользователями спутниковых данных.

Главным подрядчиком проекта стала французская Thales Alenia Space (которая ранее по заказу CNES построила Jason-1). Аэрокосмическая компания разработала спутниковую шину Proteus, на ней расположились все системы и исследовательское оборудование OSTM/Jason-2. Thales Alenia Space создала и основной прибор спутника — радиолокационный высотомер Poseidon-3, который стал следующей итерацией высотомеров, впервые установленных на TOPEX/Poseidon. Кроме него, на борту разместились: улучшенная версия микроволнового радиометра (AMR); обновленные системы определения орбиты и точного позиционирования спутника: DORIS, GPSP, LRA, которыми ранее был оборудован и Jason-1.

Спутниковая миссия OSTM/Jason-2 напоминала свою предшественницу, начав с фазы перекрестной калибровки, которая отличалась проведением тандемной миссии с Jason-1. После этого космические аппараты были разведены на разные орбиты (фаза переплетенной орбиты), но таким образом, чтобы орбита Jason-1 проходила посередине между основными трассами Jason-2. Так оба спутника вместе охватывали вдвое больше территории, чем каждый в отдельности, и осуществляли измерения примерно в 150-160 км друг от друга. Подобная методология позволила лучше изучать небольшие океанические вихри (eddies) и другие мезомасштабные явления. Стоит отметить, что стратегия использования двух спутников для взаимной проверки и дальнейшего расширения покрытия стала стандартной практикой для миссий серии Jason (Jason-2, Jason-3), а также Sentinel-6, который следовал за ними.

Вскоре после того как Jason-1 свели с орбиты 1 июля 2013 года, NASA с CNES начали разработку третьего океанографического спутника проекта под названием Jason-3. Конструктивно новый спутник почти полностью повторял второй номер и отличался от него лишь наличием усовершенствованной модели радиочастотного высотомера — Poseidon-3B. 

На борту спутниковой шины Proteus установили несколько новых экспериментальных приборов, среди них и телескоп легких частиц (Light Particle Telescope, LPT) разработки Космического агентства Японии (JAXA). Прибор предназначался для измерения радиационной среды вокруг спутника. Вторым экспериментальным оборудованием на борту Jason-3 стал французский прибор ChaRacterization and Modeling of ENvironment (CARMEN), исследовавший влияние космической радиации на высокоточный спутниковый осциллятор DORIS. Запуск Jason-3 состоялся 17 января 2016 года. После шестимесячной тандемной миссии с Jason-2 оба спутника перешли на разные орбиты, по аналогии с предыдущими миссиями.

Сейчас Jason-3 продолжает свои наблюдения на орбите с 10-дневным циклом. Он стал завершающим спутником серии Jason, подытоживая десятилетие плодотворного сотрудничества NASA с CNES в исследованиях уровня мирового океана и других чувствительных параметров. Квинтэссенцией этого сотрудничества стал запуск нового океанографического спутника — Sentinel-6A Michael Freilich, состоявшийся 21 ноября 2020 года.

Раскрытие возможностей SAR для целей спутниковой океанографии

Несмотря на то что концептуально новый Sentinel-6A Michael Freilich был похож на Jason-3 и призван выполнять те же задачи, технологически это был совершенно другой спутник. Прежде всего французское CNES, участвовавшее в разработке предыдущих Jason, уступило свое место Европейскому космическому агентству (ESA). Коллективный европейский космос сразу гарантировал новому проекту более стремительное развитие, ведь бюджеты всех космических государств Европы значительно превышали бюджет одной только Франции.

Во-вторых, изменился основной подрядчик. Вместо Thales Alenia Space теперь главным конструктором выступил аэрокосмический концерн Airbus Defence and Space, а именно, его немецкое подразделение. Но главным отличием был новый радиочастотный высотомер — Poseidon-4, который отныне мог работать в режиме радара с синтезированной апертурой (SAR). 

Итак, помним, что первый SAR-спутник для целей океанографии был запущен еще в 1978 году. Речь о Seasat-1, про который мы рассказывали в первой части этой статьи. Но за 47 лет технология SAR сделала качественный шаг вперед, благодаря чему новые типы сенсоров могли обеспечить сверхчеткое качество изображения, к тому же не зависевшее от погодных условий или суточных циклов. Особенно хорошо новый сенсор проявил себя при мониторинге вод в прибрежных зонах, где предыдущие спутники столкнулись с трудностями из-за слишком высокого уровня шума (своего рода «загрязнения») сигнала, поступающего с суши.

Микроволновый радиометр AMR-C, с помощью которого Sentinel-6A измеряет содержание водяного пара в атмосфере Земли, тоже усовершенствовали. Полученные данные используются для коррекции задержки сигнала высотомера, неизбежной вследствие прохождения сквозь земную атмосферу. Именно благодаря коррекции с помощью AMR-C спутнику удается достичь миллиметровой точности измерения.

Другим нововведением стала Global Navigation Satellite System — Radio Occultation (GNSS-RO), которая пользовалась сигналами от GPS и Galileo для измерений профиля температуры и влажности в атмосфере Земли. Это способствовало совершенствованию метеорологических прогнозов, предоставляемых спутником. За соблюдение правильного орбитального расположения Sentinel-6A Michael Freilich отвечают приборы точного определения орбиты (POD). В частности, среди них другие приемники GNSS, система DORIS и Laser Retroreflector Array (LRA), которая ранее работала на океанографических спутниках серии Jason. Все вместе эти инструменты помогают Sentinel-6A максимально точно поддерживать заданную орбитальную траекторию. 

Спутниковая миссия Sentinel-6A является ключевой частью программы Copernicus, главная цель которой заключается в обеспечении свободного открытого доступа к глобальным высокоточным данным для мониторинга и управления окружающей средой. Именно поэтому программа выступает ключевой для поддержки европейской политики в сферах защиты климата и организации безопасности при возникновении чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера.

Океанографическому спутнику Sentinel-6A Michael Freilich осталось совсем недолго выполнять свою миссию в одиночестве. Ориентировочно в 2026 году к нему должен присоединиться спутник-близнец, который в дальнейшем заменит основной аппарат, когда его миссия подойдет к финалу. Запланированный срок эксплуатации спутника составляет 5,5 года, впрочем, по аналогии с предыдущими миссиями, наверняка его должны пролонгировать вплоть до 2030-го. И если даже Sentinel-6A потеряют раньше из-за какой-то технической аномалии или программного сбоя, непрерывность океанографических наблюдений гарантирована, ведь на орбите все еще остается хотя и менее точный, но по-прежнему до сих пор активный Jason-3. 

Новые методологии наблюдения и инновации последних лет

Принципы работы спутников проекта Jason и Sentinel-6 достаточно сильно похожи между собой. Однако не все спутники, на сегодняшний день сосредоточенные на мониторинге и изучении вод мирового океана и его геоид, работают одинаково. Хорошим примером того, как подобные исследования можно проводить иным способом, является спутниковая миссия Surface Water and Ocean Topography (SWOT), выведенная на орбиту в декабре 2022 года. 

SWOT является результатом сотрудничества сразу четырех космических агентств — это уже упомянутые выше NASA и CNES, а также Канадское космическое агентство (CSA) и Космическое агентство Великобритании (UKSA). Главное ключевое отличие SWOT от проектов типа Jason и Sentinel-6 заключается в наличии инновационного интерферометра KaRIn. Тогда как одиночные альтметры типа Poseidon осуществляли наблюдение только под прямой траекторией пролета спутника, интерферометр на SWOT содержит сразу два активных радара, расположенных по оба конца 10-метровой штанги. Такое технологическое решение позволяет радарам усиливать радиолокационные импульсы, под определенным углом отражающиеся от водной поверхности.

Вместо одного измерения на приемную антенну радаров KaRIn поступают сразу два отраженных сигнала, которые затем накладываются друг на друга (интерферируют). Анализируя разницу фаз между этими сигналами, ученые могут создать двумерную топографическую карту поверхности воды с очень высокой детализацией. Аппарат оснащен и классическим радиовысотомером Nadir, направленным просто вниз, под спутник. Некоторые визуализации SWOT комбинируют данные с KaRIn и Nadir, получая одну общую картину радиочастотных наблюдений.

Технология KaRIn позволяет измерять участки шириной до 120 км за один проход спутника над зоной интереса. Это в сотни раз больше, чем при использовании однонаправленных радиовысотомеров. Подобный подход особенно важен для целей, которые преследует спутниковая океанография, ведь позволяет покрывать глобальный океан и реки значительно быстрее имеющихся аналогов вроде Jason и Sentinel-6. 

Общая стоимость миссии SWOT оценивается примерно в $1,2 млрд, из которых львиная доля средств поступает из бюджета NASA. Обработкой данных со спутника занимаются сразу два ведущих учреждения: Лаборатория реактивного движения (JPL) NASA и Лаборатория космических исследований и океанографии (LEGOS) CNES. С помощью анализа данных и их последующей архивации персонал создает наиболее подробные карты океанических течений и гидрографических систем по всему миру. Всего за три года своей орбитальной миссии SWOT уже предоставил сотни гигабайт новых данных. В частности, некоторые из них открыли путь к лучшему пониманию взаимодействия между пресными и солеными водами и их влияния на климат.

Свои проекты по спутниковой океанографии NASA разрабатывает в сотрудничестве с NOAA. В 2032 году организация по исследованию океанов планирует запустить серию спутников Geostationary Extended Observations (GeoXO), призванных заменить современные метеорологические аппараты серии Geostationary Operational Environmental Satellite (GOES-R). Хотя геостационарные GOES-R не являются океанографическими спутниками в полном смысле этого слова (их инструментарий сосредоточен на измерениях температуры поверхности океана и скорости ветра), три новых зонда GeoXO должны основательно расширить именно океанографическую компоненту. Для этого их оснастят инновационными инструментами, которые существенно расширят область океанических исследований: 

• Ocean Color Instrument (OCX) — первый инструмент такого рода, которому предстоит разместиться на геостационарной орбите (GEO). Главная задача ОСХ — мониторинг цвета мирового океана, его спутник будет осуществлять каждые 15 минут. Полученные данные помогут отслеживать концентрацию хлорофилла, являющегося одним из основных индикаторов фитопланктона. Подобные исследования критически важны для понимания экосистемы мирового океана. Устройство OCX также будет собирать сведения о содержании в воде взвешенных частиц (своеобразный показатель качества воды) и растворенных в ней органических веществ. Инструмент поможет ученым отслеживать загрязнение океанических вод: он с большой точностью будет фиксировать нефтяные разливы, вредное цветение водорослей и предоставлять общую информацию о продуктивности тех или иных областей мирового океана. 
• Imager и Sounder. Хотя предыдущая серия GOES-R уже была оборудована подобными инструментами, спутники GeoXO оснастят значительно усовершенствованными их версиями, которые позволят получать более точные данные об атмосферной влаге и интенсивности осадков, что является ключевым для прогнозирования наводнений и засух.

Расположение на геостационарной орбите (35 000+ км), то есть значительно выше той, где оперируют спутники Sentinel-6 и Jason, позволит группировке GeoXO обеспечить непрерывный мониторинг прибрежных вод, лиманов и крупных озер Западного полушария, чтобы помочь лучше управлять водными ресурсами и быстро реагировать на чрезвычайные ситуации.

Каждый спутник будущего созвездия GeoXO получит задачу пристально наблюдать за определенной частью Западного полушария, благодаря чему будет обеспечено ее полное и непрерывное покрытие. GeoXO East (должен добраться до орбиты первым в 2032 году) станет отслеживать погодные явления вроде ураганов над восточной частью США и Атлантическим океаном. GeoXO West сосредоточится на мониторинге погодных систем, лесных пожаров и океанических явлений в западной части США и Тихом океане. GeoXO Central предстоит предоставлять дополнительные данные о воздухе и климатических условиях для центральных регионов, усиливая наблюдения.

Серия GeoXO, по плану, должна состоять из трех аппаратов, которые будут работать в разных орбитальных плоскостях и обещают стать одними из самых долговечных метеорологических спутников в распоряжении NOAA. Сейчас ожидается, что они будут находиться на орбите около 22 лет, начиная с 2032 до 2055 года включительно, с возможностью продления срока их действия.

Главным подрядчиком проекта GeoXO определена Lockheed Martin, с которой NASA от имени NOAA уже успело заключить контракт на рекордную сумму в $2,27 млрд. Отдельным пунктом в контракте указано, что, кроме строительства запланированных трех спутников, компания по запросу NOAA может построить еще четыре экземпляра, таким образом доведя общий парк мониторинговых GeoXO до семи космических аппаратов. 

Некоторые частные инициативы и учреждения сегодня сконцентрированы и на решении проблемы засорения океанов. Так, некоммерческая организация The Ocean Cleanup использует спутниковые данные для моделирования путей передвижения мусора, чтобы эффективно управлять своими операциями по очистке водоемов. Их модели учитывают океанические течения, ветра и другие данные отслеживания, чтобы прогнозировать направление движения пластикового хлама.

Большинство концептуальных инноваций в спутниковой океанографии в настоящее время связаны с активным внедрением моделей на базе искусственного интеллекта (ИИ), которые предоставляют для работы с изображениями новые методы обработки данных наблюдения. Одной из них является методология слияния (или Fusion), позволяющая ИИ-модели объединять данные наблюдения с нескольких разных спутников. Вместо того чтобы полагаться лишь на один спутник, например Jason-3, ученые комбинируют данные сразу с четырех: Jason-3, Sentinel-6, Sentinel-3 и CryoSat-2. Метод позволяет получать измерения с гораздо более высоким пространственным и временным разрешением и создать более полную картину океанической топографии, избегая погрешностей и программных ошибок. Алгоритмы машинного обучения (ML) вроде Deep Learning также полезны в процессе очистки изображения от лишнего шума и погрешностей, возникающих вследствие прохождения отраженного сигнала сквозь земную атмосферу. Специалисты из NASA и NOAA применяют ML для автоматической идентификации морских вихрей на снимках.

Переход от отдельных исследовательских миссий к скоординированным оперативным программам (вроде Copernicus и GeoXO) свидетельствует об их критической важности для человечества. Новые технологии широкополосной интерферометрии, а также активная интеграция искусственного интеллекта в обработку данных наблюдения открывают для спутниковой океанографии новые горизонты. Уже в ближайшем будущем эти инновации позволят ученым не только лучше понять фундаментальные процессы в океане, но и предоставят человечеству уникальную возможность эффективнее реагировать на глобальные вызовы. Глаза космических китов ежедневно пристально вглядываются в воды мирового океана, из которого когда-то давно вышли те, кто впоследствии решился запустить их в небо.